Общие сведения о ветроэнергетике

Энергия ветра на земном шаре оценивается в 175... 219 тыс. ТВт×ч в год, при этом развиваемая им мощность достигает (20... 25×10⁹ кВт. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Считают, однако, что полезно может быть использовано только 5 % этой энергии. В настоящее же время эта цифра значительно меньше. Использовать ветер, т. е. энергию движения воздуха, человек начал еще в глубокой древности.

Постоянные воздушные течения к экватору со стороны северного и южного полушарий образуют систему пассатов. Общая циркуляция атмосферы происходит главным образом из-за вращения Земли, при котором под действием центробежной силы воздушные массы отбрасываются в районе экватора в верхние слои атмосферы. На место ушедших масс воздуха с севера и юга приходят новые воздушные слои.

Помимо постоянных движений воздушных слоев существуют периодические движения воздуха с моря на сушу и обратно в течение суток (бризы) и в течение года (муссоны). Происхождение бризов и муссонов обусловлено различным нагревом воды и суши вследствие их разной теплоемкости.

При использовании энергии ветра в современных условиях стремятся учесть опыт тех стран, в которых ветряные двигатели издавна широко применялись, особенно в Дании и Голландии — классических странах ветряных мельниц.

Многие видные русские исследователи, такие как профессор. 11.Е.Жуковский и академик С.А.Чаплыгин, внесли большой вклад вразвитие ветряных двигателей.

Ветроэнергетика — отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования энергии ветра для получения механической, электрической и тепловой энергии (ветротехника) и определяющая области и масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве.

Использование энергии ветра осуществляется с помощью специальных установок.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) — это комплекс технических устройств для преобразования кинетической энергии ветрового потока в какой-либо другой вид энергии. Ветроэнергетическая установка состоит: из ветроагрегата (ветродвигатель в комплекте с одной или несколькими рабочими машинами); устройства, аккумулирующего энергию или резервирующего мощность; в ряде случаев дублирующего двигателя (чаще теплового); систем автоматического управления и регулирования режимов работы установки.

Различают ветросиловые установки и ветроэлектрические станции.

Ветродвигателем называют двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. Различают ветродвигатели крыльчатые (наиболее распространенные) с коэффициентом использования энергии ветра до 0,48, карусельные (роторные) с коэффициентом использования не более 0,15 и барабанные.

В основном ветродвигатели применяют в ветроэлектрических станциях.

В настоящее время ветроэнергетика — одна из самых бурно развивающихся отраслей мировой электроэнергетики. В 1960 — 1970-е гг. большинство эксплуатируемых в Европе ВЭУ имело мощность до 20 кВт, затем — от 100 до 250 кВт; средняя мощность ВЭУ, выпущенных в 2002 г. в Германии, составила 1100 кВт. Тенденция роста единичных мощностей ВЭУ, по-видимому, сохранится и далее. Так, фирма «De Wind» планирует создание агрегатов мощностью 3... 5 МВт. По прогнозам общая мировая мощность ВЭУ к 2006 г. составит более 36 000 МВт.

Современные мощные ВЭУ более экономичны, у них ниже стоимость 1 кВт установленной мощности, Ветроколесо мощных ВЭУ находится на большой высоте, где скорость ветра выше (рис. 6.1,а). Выше у них и коэффициент удельной выработки электроэнергии К_удявляющийся обобщенной характеристикой ВЭУ (рис. 6.1,б):

где W_год — годовая выработка электроэнергии, кВт×ч; nR² – ометаемая поверхность ветроколеса, м².

Рис. 6.1. К характеристикам ВЭУ:

а — зависимость среднегодовой скорости ветра от высоты над поверхностью земли; б — зависимость средней удельной выработки электроэнергии ВЭУ в Дании от мощности установки

Считается целесообразной установка ВЭУ в местах, где среднегодовая скорость ветра составляет более 5 м/с.

На бурное развитие ВЭУ указывают данные роста установленных мощностей ветроустановок в ряде стран мира, приведенные в табл. 6.1.

Таблица 6.1. Установленная мощность ветроустановок, МВт, в странах мира, подключенных к элекрическим сетям

Важным шагом в развитии ветроэнергетики в России, обладающей огромным потенциалом, можно считать сдачу в эксплуатацию в 2002 г. самого крупного ветропарка в стране мощностью 5,1 МВт (одна установка мощностью 600 кВт и 20 — по 225 кВт), построенного в Калининградской области. Кроме того, построена Анадырская ВЭС (Чукотка) мощностью 2,5 МВт (10 агрегатов по 250 кВт) и строится Элистинская ВЭС (Калмыкия) мощностью 22 МВт (22 агрегата по 1 МВт).